Chương 1 MỤC TIỂU LUẬN VĂN 1.1 Mục tiêu lên đê tai: “Thiết kế kiến trúc và thực thi hệ thống SCADA trên nền Web” Mục tiêu: Nghiên cứu, đề xuất kiến trúc bất đồng bộ dựa trên sự kiện (asynchronous, event-driven) cho các hệ thống SCADA trên nên Web Kết hop giao thức mới trên nền Web (WebSocket) và các công nghệ mới về thiết kế giao diện Web để tăng hiệu năng của kiến trúc Hiện thực kiến trúc đã dé xuất dưới dạng một phần mềm để thực thi các ứng dụng SCADA trên nền Web Kiểm tra và đánh giá kiến trúc đã đề xuất bằng cách ứng dụng phần mềm đã thiết kế vào các hệ thống SCADA.2 Nhiệm vụ Xây dựng kiến trúc bất đồng bộ cho các hệ thống SCADA trên nền Web, trong dó các thành phần của hệ thống giao tiếp với nhau qua cơ chế đăng ký và lăng nghe các sự kiện. Thực hiện kiến trúc đã được xây dựng dưới dạng một phần mềm SCADA trên nền Web. Phần mềm này đảm bảo các tính năng sau: o_ Các tính năng cơ bản của hệ thống SCADA: giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiến hệ thống, giao tiếp với người dùng qua giao diện đồ họa (trang Web) o Các tính năng nâng cao: cảnh báo (alarm), lịch su (history), nhận điện và phân quyển cho người dùng (privileged access), lưu trữ dữ liệu hệ thống vào cơ sở dữ liệu (database) 10 o Sử dụng WebSocket dé giao tiếp giữa người dùng (client) và SCADA web server dé đảm bảo truy xuất dữ liệu thời gian thực hiệu qua o Có thé sử dụng dễ dàng trên các trình duyệt hiện đại mà không cần phải cài thêm add-on, add-in, hoặc plug-in. - Ap dụng phần mềm đã thiết kế với các hệ thống SCADA trong phòng thí nghiệm Tự động hóa để phân tích, đánh giá các chức năng đã thiết kế cũng như hiệu năng và tính ôn định của kiến trúc.
- _ Nghiên cứu thêm về các cách triển khai khác nhau của kiến trúc đã thiết kế: chỉ cho phép các client trong mạng nội bộ truy xuất hệ thống: cho phép client truy xuất hệ thong từ Internet (SCADA web server được đặt ở máy tính nam trong mạng nội bộ) hoặc triển khai toàn bộ SCADA server lên nền tảng đám mây (cloud-based deployment).3 Y nghĩa Hệ thống SCADA là thứ không thể thiếu trong quá trình phát triển nền công nghiệp hiện đại. Do đó, SCADA rất được chú ý nghiên cứu và phát triển để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của các hệ thông mới. Luận văn liên quan tới SCADA cũng được nhiều sinh viên, học viên thực hiện. Tuy nhiên, hầu như tất cả các dé tài này đều gan liền với một ứng dụng SCADA cụ thé, chang hạn như: thiết kế hệ thống SCADA phân loại sản phẩm, ứng dụng SCADA để điều khiển mức nước và nhiệt độ bồn chứa, v.
Các dé tai này được thực hiện băng cách áp dụng một phần mềm SCADA có sẵn trên thị trường chủ yếu là Vijeo Citect (Schneider Electric), WinCC (Siemens) hoặc RSView (Rockwell Automation). Hơn nữa các dé tài này dùng phần mềm SCADA client cài trực tiếp trên máy của người dùng dé giao tiếp với hệ thống, hiếm có dé tài dùng trình duyệt Web (browser) để giao tiếp với hệ thống SCADA. Khác với các cách tiếp cận trên, luận văn này sẽ đề xuất một kiến trúc tổng quát dé xây dựng các hệ thống SCADA. Kiến trúc này sẽ được hiện thực hóa bang mot phan mém dựa trên nền Web (web-based).
Phần mềm này cho phép người dùng triển khai được nhiều hệ thống SCADA khác nhau với các chức năng, nhiệm vụ và 11 thành phần khác nhau. Phần mềm này sau đó sẽ được dùng để thiết kế nhiều hệ thống SCADA cụ thể. Sau cùng, các hệ thống này sẽ được dùng để kiểm tra, đánh giá về tính năng, độ ôn định, hiệu năng v.v dé từ đó rút ra được các nhận xét đánh giá cho kiên trúc đã đê xuât. Khi ứng dụng kiến trúc Web-based SCADA được nghiên cứu trong luận văn vào các hệ thông thực tế sẽ mang lại những lợi ích cơ bản sau: Rút ngắn triệt dé thời gian triển khai hệ thống (zero-install deployment), do sử dung trình duyệt web có san trên hau hết mọi máy tính thay vi phải cài thêm phần mềm SCADA client cho mỗi máy, từ đó chi phí cho hệ thống cũng được giảm bót.
Hơn nữa, việc dùng trình duyệt như là phần mềm SCADA client sẽ làm giảm bớt sự phụ thuộc của hệ thống vào một nền tảng hệ điều hành cụ thể (platform-independent). Ngược lại, các phan mềm SCADA client thông dụng chỉ chạy được trên một số hệ điều hành Windows nhất định của Microsoft. Việc áp dụng giao thức mới trên nền web (WebSocket) sẽ loại bỏ các bat lợi như tốc độ tao đổi dữ liệu chậm, yêu cầu băng thông hệ thống lớn của giao thức HTTP truyền thống. Từ đó hiệu năng và độ ồn định của hệ thống sẽ tăng lên (performance, stability).
Cau trúc bat đồng bộ định hướng theo sự kiện của SCADA server trong luận văn này sẽ làm giảm yêu cầu về tài nguyên của hệ thống như CPU, RAM và cũng góp phần làm tăng hiệu năng của toàn hệ thống. Ngoài ra, nó còn giúp cho hệ thống hoạt động hiệu quả hơn khi quy mô của hệ thống tăng lên (scalability): tăng số tác vụ giám sát và điều khiến hoặc tăng số client kết nối tại cùng một thời điểm. 12 Chương 2 SỰ PHÁT TRIEN CUA SCADA 2.1 Giới thiệu SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thông điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu. Tuy nhiên, trong thực tế có một số hệ thống van thường được gọi là SCADA, mặc dù những hệ thống này chỉ thực hiện duy nhất một chức năng là thu thập dữ liệu.
Khi mới xuất hiện, “SCADA” đơn giản chỉ là những hệ thống với các bảng điều khiến, với đồng hồ đo, nút nhắn, công tắc, đèn, v. Ưu điểm của hệ thống loại này là đơn giản, rẻ tiền, dé thiết kế, dé vận hành. Tuy nhiên việc sử dụng nó lai mang đến rất nhiều bất cập: khó quản lý, bảo trì, thay thé, phát triển hệ thông, khó tự động hóa công việc. Sensors n mnã ©@@—— | UUU LILỊLìLi Iirni | L] L] Hình 2.1 Mô hình Sensors to Panel Cùng với sự ra đời của các ngành công nghiệp hiện đại, đặc biệt là cong nghiệp khai khoáng, dịch vụ công cộng, năng lượng hạt nhân v.v, yêu cầu về khả năng kết nối và điều khiến từ xa bat đầu trở thành yêu cầu bức thiết.
Day chính là động lực cho sự ra đời và phát triển của các hệ thống đo lường, điều khiển từ xa. SCADA cũng dan trở thành hệ thống chủ yếu giám sát và điều khiến từ xa, ở mức độ quản lý quá trình là chính. SCADA đảm nhận nhiệm vụ thu thập thông tin, va sau đó, thông qua hệ thống truyền thông, truyền dữ liệu về trung tâm điều khiển, mang theo tất cả 13 những thông tin cần thiết của hệ thống dé hiện thị lên các thiết bị quan sát. Cuối cùng, SCADA sẽ truyền trở lại cho các thiết bị những lệnh mà người điều khiến yêu cầu (nếu có).
Master Remote Terminal Communication Terminal Operator Unit System (CS) Unit Ripcess (MTU) (RTU) operator \ ““RTU process Theo thời gian, SCADA ngày càng phát triển về cau trúc, quy mô, sự phân loại cũng như cách thức triển khai.2 Các thành phân của hệ thống Một hệ thống SCADA đây đủ có các cấp như bên dưới. Tuy nhiên tùy vào ứng dụng và quy mô của dự án, một hệ thông SCADA thực tế có thể không có day đủ tất cả các lớp này. Field Field hay còn gọi là cấp trường bao gồm các thiết bi cảm biến (sensor) như loadcell, thermocouple (cảm biến đầu ra analog), cảm biến quang, encoder và các cơ cau chấp hành (actuator) như động cơ, valve, bom, bóng đèn, contactor. Control Cấp điều khiển có nhiệm vụ xử ly các tac vụ điều khién các thiết bi cấp trường.
Nó thường được chia ra hai lớp đó là Unit control và Group control. 14 - Unit control có nhiệm vụ đọc trực tiếp các tín hiệu từ các thiết bị cảm biến, xử lý các tín hiệu này, thực hiện các thuật toán điều khiển và xuất tín hiệu ra các cơ cầu chấp hành (điều khiển cục bộ). Các thiết bị Unit control thường là Low End PLC hoặc distributed I/O module được quản lý, điều khiến bởi PLC ở lớp Group control. - Group control thường chứa các High End PLC dùng để điều khiến các group nhỏ hơn hoặc các Unit control.
Các thiết bị ở Group control có thé thu thập dữ liệu từ các Unit control và xử lý, phân tích và đưa ra các tín hiệu điều khiến hoặc có thé nhận lệnh điều khiến từ các trạm SCADA. Supervision Supervision là cấp giám sát điều khiến hay còn gọi la SCADA. O cấp nay các trạm SCADA thu thập các tín hiệu điều khiến từ các RTU mà cụ thé ở đây là các PLC. Sau đó xử lý, hiển thị và lưu trữ dữ liệu.
Ngoài ra cấp nay còn dùng để đặt các tín hiệu điều khiển cho các trạm PLC, ghi các lệnh điều khiến hệ thống, v. Hai thành phân quan trọng nhất ở cấp này là - _ Hệ thong truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị viễn thông có chức năng truyền dữ liệu cấp điều khiến đến các trạm SCADA (display client, IO server, Alarm server, .) - Giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface): Là các thiết bị hiển thị quá trình xử lí dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống. Chúng có thé là các màn hình chuyên dụng trong công nghiệp hoặc các màn hình máy tính thông thường MES (Manufacturing Execution System) Lớp này đưa ra các quyết định như lich bảo tri, khảo sát tién trình công việc và chat lượng giám sát điều khiến. Thanh phần cơ bản ở cấp này là các hệ cơ sở dữ liệu chuẩn như Oracle, Access hay Microsoft SQL cho phép lưu trữ dữ liệu dung lượng lớn với cách quản lí, phân tích chặt chẽ để giúp bộ phận quản lí đưa ra những quyết định chính xác.
Real time Database IH Group In" control Unit control Hình 2.3 Mô hình hệ thống SCADA hiện đại Enterprise Cấp quan lí cao nhất, không điều khién các quá trình bên dưới, chủ yếu phân tích dữ liệu từ cấp MES để đưa ra các quyết định tầm vĩ mô (toàn công ty) như : chiến lược sản xuât, chuân bi nguôn nhân lực, phôi hợp sản xuât giữa các bộ phận, v.3 Lợi ích của việc sử dụng các hệ thong SCADA - _ Giúp cho việc xây dựng và thiết kế hệ thống trở nên nhanh chóng va dễ dang hơn ngay cả đối với các hệ thống có tính phức tạp cao.